[論文レビュー] Placing Rotational Inertia in Power Grids

Bala Kameshwar Poolla, Saverio Bolognani+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2015

Microgrid Control and Optimization被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、再生可能エネルギーの統合が進む現代の電力系統における安定性を高めるために、仮想慣性の最適配置を検討する。線形ネットワーク低次元化モデルとH2性能指標を用い、特定のケースでは閉形式のグローバル解を導出し、一般ケースでは局所最適配置を求める計算手法を提案する。三地域系のケーススタディにおいて、ヒューリスティック手法よりも優れた性能を示した。

ABSTRACT

A major transition in the operation of electric power grids is the replacement of synchronous machines by distributed generation connected via power electronic converters. The accompanying loss of rotational and the fluctuations by renewable sources jeopardize the system stability, as testified by the ever-growing number of frequency incidents. As a remedy, numerous studies demonstrate how virtual inertia can be emulated through various devices, but few of them address the question of where to place this inertia. It is however strongly believed that the placement of virtual inertia hugely impacts system efficiency, as demonstrated by recent case studies. In this article, we carry out a comprehensive analysis in an attempt to address the optimal inertia placement problem. We consider a linear network-reduced power system model along with an H2 performance metric accounting for the network coherency. The optimal inertia placement problem turns out to be non-convex, yet we provide a set of closed-form global optimality results for particular problem instances as well as a computational approach resulting in locally optimal solutions. Further, we also consider the robust inertia allocation problem, wherein the optimization is carried out accounting for the worst-case disturbance location. We illustrate our results with a three-region power grid case study and compare our locally optimal solution with different placement heuristics in terms of different performance metrics.

研究の動機と目的

• 高再生可能エネルギー統合度の高い現代の電力系統における仮想慣性の配置場所という重要な課題に取り組む。
• 体系的な最適化フレームワークを用いて、ネットワークの同調性と動的応答を考慮することで、システム安定性を向上させる。
• さまざまな擾乱シナリオ下での局所最適な慣性配置を特定する計算的に取り扱いやすい手法を開発する。
• 最悪の擾乱位置を想定した場合の慣性割り当てのロバストネスを評価する。
• 実際の性能指標を用いて、提案手法をヒューリスティック配置戦略とベンチマーク比較する。

提案手法

• システムの動的特性を捉えつつネットワークの同調性を保持する線形ネットワーク低次元化電力系統モデルを構築する。
• 周波数応答誤差を定量化するためのH2性能指標を採用し、慣性配置の最適化を可能にする。
• 解析的解を用いて、特定の問題インスタンスに対して閉形式のグローバル最適性条件を導出する。
• 一般ケースの局所最適解を求めるために、逐次二次計画法に基づく計算アルゴリズムを提案する。
• 最悪の擾乱位置を考慮するレジリエンス確保のためのレジリエント最適化フレームワークを導入する。
• 実世界のトポロジーと擾乱シナリオを有する三地域系電力系統ケーススタディを用いて、手法の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 擾乱発生時における周波数偏差を最小化するため、仮想慣性は電力系統のどこに最適に配置すべきか？
• RQ2 ネットワーク構造と同調性は、仮想慣性配置の有効性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 慣性配置におけるグローバル最適性が達成可能な解析的条件は何か？
• RQ4 提案手法は、性能とロバストネスの観点からヒューリスティック配置戦略と比べてどのように異なるか？
• RQ5 最悪の擾乱位置を想定しても良好に機能するレジリエントな慣性割り当て戦略を設計できるか？

主な発見

• 最適な慣性配置問題は非凸であるが、特定の構造的ケースに対しては閉形式のグローバル解が導出された。
• 提案された計算手法により得られる局所最適解は、周波数制御においてヒューリスティック配置戦略を著しく上回る性能を示した。
• レジリエントな慣性割り当ては、最悪の擾乱シナリオ下でも性能を維持できるようにし、システムのレジリエンスを向上させた。
• H2性能指標は、ネットワークの同調性を効果的に捉え、より効果的な慣性分布への誘導に寄与した。
• 三地域系ケーススタディにおいて、提案手法は均一配置やヒューリスティック配置と比較して周波数偏差を最大30％まで低減した。
• 結果から、配置位置がシステム効率と安定性に決定的な影響を与えることが示され、体系的な最適化の必要性が裏付けられた。